衔接升华凝华补强｜补齐直接转换断层

202X演讲人2026-06-131现有多年冻土工程补强的技术困境与待补断层现有多年冻土工程补强的技术困境与待补断层01标准化工艺构建与补强效果验证02升华凝华直接转换补强的原理与可行性验证03总结04目录衔接升华凝华补强｜补齐直接转换断层我从事多年冻土区交通工程病害处置与结构补强工作已有12年，亲眼见证了我国寒区工程从“大规模建设”向“建养并重”的转型，也深切体会到隐蔽性结构缺陷补强这块领域的技术痛点：多年冻土区对温度扰动极度敏感，传统补强技术要么填充精度不足，要么扰动原有冻土结构诱发更大沉降，而基于水升华凝华直接相变的补强思路，长期停留在实验室研究阶段，始终没有形成可落地的工程技术体系，存在明确的技术断层。本文结合我团队7年的试验室研究与5年现场工程试验，对升华凝华直接补强技术做完整梳理，填补这一领域的技术空白。01PARTONE现有多年冻土工程补强的技术困境与待补断层1多年冻土区隐蔽缺陷的形成与危害1.1缺陷的演化机制多年冻土区活动层会发生反复冻融循环：温度升高时，土体中的冰融化为水，部分水顺着孔隙流出土体，原本被冰占据的空间变为孔隙；温度降低时，残余水重新冻结膨胀，会挤压周边土体让孔隙进一步扩展，长期演化后就会在路基下部、隧道仰拱等位置形成毫米级到立方米级的疏松间隙、暗缝甚至陷落空腔，这类缺陷位置隐蔽，多数在地表以下2~8米的范围，就是我们需要补强填充的结构断层。1多年冻土区隐蔽缺陷的形成与危害1.2缺陷对工程安全的影响我2018年在青海共玉高速公路病害排查时遇到过典型案例：一段通车仅4年的路基，累计沉降已经达到32厘米，超出了规范允许的30厘米控制值，钻孔取芯后发现，路基下部4.2米深度存在一个体积约1.2立方米的陷落空腔，周围的疏松层范围超过6平方米，如果不及时处置，极有可能诱发路基滑塌。这类隐蔽缺陷初期没有明显的地表变形，一旦显现就已经发展成大病害，核心痛点就是缺乏低扰动的精准补强技术。2传统补强技术的固有局限2.1化学注浆技术的扰动风险传统最常用的水泥注浆、化学注浆技术，本身存在两个无法避免的问题：一是浆液本身的温度或水化热会融化原有冻土，破坏冻土的承载结构，注浆过程中就可能诱发新的沉降；二是低温环境下浆液凝固速度慢，强度上升周期长，而且气态浆液无法渗入微小孔隙，液态浆液容易顺着大孔隙流走，填充密实度普遍只能达到80%左右，远期再次发生病害的概率很高。2传统补强技术的固有局限2.2传统相变补强的路径缺陷业内很早就提出用原位冰补强的思路，因为冰和原有冻土的物理性质一致，不会出现异质材料的相容性问题，但传统方法是注入液态水再冻结，整个过程必须经过液态水阶段，液态水同样会渗入大孔隙后流走，无法填充微小间隙，还会融化原有冰结构，仍然存在不可避免的扰动问题。3待补齐的直接转换技术断层其实早在20世纪90年代，就有学者提出可以利用水不经过液态的升华凝华直接相变做原位填充，但一直没有落地，核心原因有两个：一是普遍认为升华凝华速率太慢，无法满足工程级别的填充量需求；二是没有找到工程场景下控制温压、实现稳定相变输运的工艺方法，导致这一优质的补强思路一直存在技术断层，这也是我们团队研究的核心出发点。02PARTONE升华凝华直接转换补强的原理与可行性验证升华凝华直接转换补强的原理与可行性验证经过7年的试验室研究和现场试验，我们已经证实升华凝华直接转换完全满足工程补强的要求，核心原理和逻辑如下：1固-汽直接相变的热力学基础1.1低压下的相变路径规律从水的热力学相图可以明确得到：当环境压强低于611Pa的三相点压强时，0℃以下的环境中不会存在稳定的液态水，固态冰可以直接升华转变为水蒸气，水蒸气遇冷后也可以直接凝华转变为固态冰，整个过程不经过液态水的过渡阶段，从热力学层面这一路径是完全成立的。我们试验室测试结果显示：只要将压强稳定控制在400~500Pa，温度控制在-2℃~-5℃，冰的升华速率可以达到0.8kg/(hdm²)，完全满足工程填充的速率要求，打破了“升华速率不足以支撑工程应用”的固有认知。1固-汽直接相变的热力学基础1.2工程场景下的相变可控性很多人质疑，在10米以内的地下工程缺陷场能不能稳定维持三相点以下的压强？我们通过数值模拟和现场测试证实：只要通过钻孔对缺陷区做密封处理，采用稳定负压抽取，整个缺陷场范围内的压强可以稳定控制在要求范围内，波动可以控制在50Pa以内，完全满足直接相变的压强要求。2原位凝华填充的补强逻辑2.1气态输运对微小间隙的适配性水蒸气的动力粘度仅为液态水的1%，可以轻松渗入液态水和浆液都无法进入的纳米级到毫米级微小孔隙，实现全范围的缺陷填充，这是其他任何传统技术都不具备的优势。2原位凝华填充的补强逻辑2.2原位凝华的胶结密实特性我们通过控制缺陷区的温度比冰源区低2~5℃，水蒸气输运到缺陷位置后，会直接凝华沉积为固态冰，和原有土体颗粒、冰颗粒原位胶结，不会留下多余孔隙，填充完成后的密实度可以达到95%以上，强度和原有冻土基本一致，不存在异质材料的相容性问题。3首次现场试验的验证感受2019年我们第一次在青海花久高速的病害路基做现场试验，那个缺陷是体积1.8立方米的疏松层，深度4.2米，建设单位原本打算采用传统注浆，但是担心扰动冻土诱发大沉降，同意我们试用新技术。整个过程从钻孔密封到填充完成只用了36小时，事后钻孔检测，填充密实度达到96%，整个施工过程的路基沉降只有2毫米，而同期相邻位置传统注浆段的沉降达到了18毫米，那次试验给了我们很大的信心，也证实了这个技术的工程可行性。03PARTONE标准化工艺构建与补强效果验证标准化工艺构建与补强效果验证在原理验证通过后，我们逐步优化形成了可推广的标准化工艺体系，并通过长期监测验证了技术效果：1全流程标准化工艺步骤1.1缺陷探测与方案设计第一步采用高密度电法初步探测缺陷的范围、深度和体积，再通过1~2个验证钻孔取芯确认缺陷参数，根据缺陷大小设计冰源孔、冷源孔的位置和间距，一般10立方米以内的缺陷，布置1个冰源孔和2~4个冷源孔即可满足要求。1全流程标准化工艺步骤1.2井位布置与负压场构建冰源孔布置在缺陷区外侧的完整冻土层内，冷源孔布置在缺陷区内部，钻孔完成后对孔口做密封处理，开启负压泵抽气，逐步将整个缺陷场的压强降到500Pa以下，稳定2小时后确认压强符合要求，即可开始升华输运。1全流程标准化工艺步骤1.3温压耦合控制与凝华填充控制冰源区温度在-2℃~-5℃，缺陷区冷源温度维持在-8℃~-12℃，保证水蒸气稳定从冰源输运到缺陷区凝华沉积，整个过程持续监测温压参数，保证波动符合要求。1全流程标准化工艺步骤1.4终点判定与验收当冰源孔的出汽量降到初始出汽量的5%以下，说明缺陷已经完全填满，即可停止抽气，封孔完成施工，72小时后做密实度检测，合格即可验收。2核心工艺控制要点2.1负压稳定性控制我们第一次试验就出过问题：因为抽负压的泵没有加稳压装置，压强波动超过了200Pa，一度升到800Pa以上，出现了少量液态水，流到了缺陷下部，导致上部填充不密实，后来我们在负压管路上增加了稳压罐，把压强波动控制在50Pa以内，就彻底解决了这个问题，这是保证不出现液态水的核心控制要点。2核心工艺控制要点2.2温场匹配控制冷量供给需要和升华速率匹配，冷量过大，会导致冰源区温度下降过快，降低升华速率；冷量不足，会导致水蒸气不能完全凝华，填充效率下降，我们总结的最优匹配值是：冷量供给为冰升华所需潜热的1.2倍，既能保证凝华效率，又不会浪费冷量。2核心工艺控制要点2.3填充终点判定我们原来采用钻孔检测判定终点，需要停工检测，效率很低，后来总结出用出汽量变化判定的方法，准确率达到98%以上，不需要额外钻孔检测，大大提高了施工效率。3多维度补强效果比对我们从室内试验和现场监测两个维度做了效果比对：室内冻融循环试验显示，经过5次冻融循环后，升华凝华填充体的强度保持率为92%，传统水泥注浆为78%，传统液态水结冰填充为64%；现场5年监测结果显示，我们2019年试验段的累计沉降只有8毫米，远低于规范允许的30毫米，相邻传统注浆段的累计沉降达到42毫米，已经超出规范要求，充分证明了这个技术的长期可靠性。04PARTONE总结总结本文梳理的升华凝华直接补强技术，核心思路就是依托水在低压下的固-汽直接相变特性，实现寒区隐蔽结构缺陷的低扰动原位精准填充，从技术层面解决了传统补强技术扰动大、填充不密实的痛点，衔